趙豐云 郁松林 孫軍利 蔣 宇 劉懷鋒 于 坤

(1.石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 石河子 832003； 2.特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 石河子 832003)

0 引言

施肥是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要措施，隨著農(nóng)業(yè)集約化程度的不斷提高，近年來化肥施用量呈逐年上升趨勢(shì)[1]。過量施肥，不僅導(dǎo)致肥料利用率下降，增加種植成本，而且對(duì)環(huán)境造成污染[2]。因此在提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)的大目標(biāo)下，研究如何減少化肥施用量、提高化肥利用率具有重要意義。氮素是果樹生長(zhǎng)的重要養(yǎng)分元素，對(duì)果樹器官建造、物質(zhì)代謝、果實(shí)產(chǎn)量及品質(zhì)的形成等都有不可替代的作用[3]。硝態(tài)氮、銨態(tài)氮與尿素(酰胺態(tài)氮)是植物可利用的氮素形態(tài)，也是生產(chǎn)中常用的氮肥形態(tài)。不同氮素形態(tài)吸收、利用途徑的差異可能導(dǎo)致作物品質(zhì)的不同[4]。近年研究表明，以合適的比例施用硝態(tài)氮、銨態(tài)氮能更好地促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育[5]。楊陽等[6]認(rèn)為葡萄以硝銨比70/30施用時(shí)，總生物量(鮮質(zhì)量、干質(zhì)量)、根系和新梢生長(zhǎng)量最大。

目前中國設(shè)施葡萄面積超過1.33×105hm2，是世界最大的設(shè)施葡萄生產(chǎn)國。設(shè)施生產(chǎn)的高度集約化、過度灌溉、農(nóng)業(yè)機(jī)械碾壓、過量施肥、少中耕等因素均導(dǎo)致土壤緊實(shí)，造成根區(qū)低氧脅迫，限制了設(shè)施葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)的提升[7]。氮素是對(duì)土壤通氣條件反應(yīng)最敏感的元素之一，研究表明，植物在根系生長(zhǎng)發(fā)育、氮素利用過程中存在根際溶氧量和氮素形態(tài)的互作效應(yīng)[8]。在缺氧條件下，反硝化作用增強(qiáng)，土壤中的氮素?fù)p失嚴(yán)重，降低植物對(duì)氮素的吸收利用效率[9-10]。在稻田增氧中發(fā)現(xiàn)，根際溶氧量與氮吸收代謝密切相關(guān)，同時(shí)根際溶氧量可影響土壤中銨硝配比以及氮的淋失與揮發(fā)，調(diào)控稻田根際溶氧量是解決中低產(chǎn)田氮肥利用效率偏低問題的有效途徑之一[11-12]。

地下滴灌條件下進(jìn)行加氣灌溉是目前耕作模式研究的熱點(diǎn)[13-14]。前人研究表明，增加土壤氧氣含量可以改善水肥吸收速率，利于作物生長(zhǎng)發(fā)育，提高產(chǎn)量[15]。然而目前關(guān)于地下滴灌加氣灌溉的研究報(bào)道主要集中于番茄[16]、甜瓜[17]、玉米[18]等一年生作物，對(duì)葡萄等多年生果樹的研究報(bào)道還比較少，關(guān)于地下滴灌條件下根際注氣對(duì)葡萄生長(zhǎng)發(fā)育及不同氮素形態(tài)吸收利用的研究尚未見報(bào)道。

地下穴貯滴灌“水肥氣”一體化技術(shù)是根據(jù)干旱區(qū)林果生產(chǎn)實(shí)際需求，為有效解決地表滴灌導(dǎo)致的根系上浮及傳統(tǒng)地下滴灌根區(qū)浸潤范圍小、對(duì)果樹等多年生作物不適用等問題，將滴灌技術(shù)與束懷瑞院士提出的“穴貯肥水技術(shù)”有機(jī)結(jié)合而開發(fā)出的一項(xiàng)新的節(jié)水滴灌方法。前期研究表明，該技術(shù)在促進(jìn)多年生果樹根系下扎、節(jié)水、提高果實(shí)產(chǎn)量等方面具有一定優(yōu)勢(shì)[19-20]。本研究以2年生紅提葡萄幼苗為材料，采用15N 示蹤法，通過地下穴貯滴灌“水肥氣”一體化裝置[21]實(shí)現(xiàn)供水、注氣，旨在闡明設(shè)施條件下地下穴貯滴灌根際注氣對(duì)葡萄幼苗生長(zhǎng)發(fā)育及葡萄不同氮素形態(tài)吸收利用、分配的影響規(guī)律，以期為地下穴貯滴灌根際注氣條件下合理施肥、提高肥料利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

圖1 地下穴貯滴灌水肥氣一體化系統(tǒng)Fig.1 SDI water-fertilizer-gas integration system1.水肥氣一體化裝置 2.開關(guān)閥 3.主管 4.地下穴貯裝置 5.水泵

試驗(yàn)于2016 年3—12月在石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院實(shí)驗(yàn)站溫室內(nèi)完成。供試土壤為黏質(zhì)壤土，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比13.61 g/kg，速效磷質(zhì)量比43.6 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比305 mg/kg，硝態(tài)氮質(zhì)量比44.7 mg/kg，銨態(tài)氮質(zhì)量比58.4 mg/kg，pH值6.56。試驗(yàn)設(shè)注氣與不注氣2組，每9株葡萄每株施入1.3 g15NH4NO3，9株每株施入1.3 g NH415NO3；15NH4NO3、NH415NO3豐度均為 10.28%(上?；ぱ芯吭荷a(chǎn))。試驗(yàn)開始前每株葡萄施入硫酸鉀0.84 g、過磷酸鈣2.28 g做基肥，同時(shí)施入雙氰胺0.02 g(純氮的5%)做氮穩(wěn)定劑。于2016年5月9日將粗細(xì)均勻、長(zhǎng)勢(shì)一致的2年生“紅地球”葡萄幼苗定植在盆口上徑35 cm、下徑30 cm、高25 cm的花盆中，各處理生長(zhǎng)條件和栽培管理均保持一致。滴灌系統(tǒng)及注氣處理均采用自主開發(fā)的地下穴貯滴灌系統(tǒng)(圖1)，包括水泵、主管、光伏注氣裝置(圖2)、開關(guān)、地下穴貯裝置。于2016年6月20日開始進(jìn)行注氣處理，注氣方式為灌后加壓注氣。通過太陽能電池板發(fā)電提供電能，用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行注氣，氣體壓力平衡箱平衡氣體壓力。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)注氣頻率設(shè)定為一天一次，注氣時(shí)間持續(xù)20 min。

圖2 光伏注氣裝置Fig.2 Photovoltaic gas injection device1.太陽能電池板 2.貯氣箱 3.氣體壓力平衡箱 4.電池調(diào)控箱 5.底板

1.2 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)及植株生物量測(cè)定

新梢長(zhǎng)度用米尺測(cè)量，莖粗用電子游標(biāo)卡尺測(cè)量。植株生物量測(cè)定為注氣處理60 d后，每處理選取5株長(zhǎng)勢(shì)一致的葡萄進(jìn)行破壞性取樣，將植株整體分為葉、新梢、老枝、新枝、細(xì)根(<2 mm)、粗根(>2 mm) 6部分。根系取樣采用分層取樣法，沖洗時(shí)將根系及土體放置在100 目鋼篩上，按照清水、洗滌劑、清水、1%鹽酸、3次去離子水的處理順序進(jìn)行沖洗，隨后放入干燥箱于105℃殺青15 min，75℃干燥至恒質(zhì)量并稱量。稱量后樣品電磨粉碎過150目篩，裝袋備用。

1.2.2 植株光合性能測(cè)定

同一灌水周期后1、3、5、7、9 d測(cè)定葡萄葉片葉綠素含量、光合參數(shù)。葉綠素含量用便攜式SPAD儀測(cè)定，光合參數(shù)使用LI-6400型光合測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定。測(cè)定時(shí)選取充分受光、植株新梢向下第5、6、7片葉，每處理選取生長(zhǎng)一致的植株5株(重復(fù)5次)，對(duì)葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和瞬時(shí)水分利用效率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定時(shí)采用開放氣路，CO2氣體采自相對(duì)穩(wěn)定的2～3 m的空中，借助人工光源，光強(qiáng)穩(wěn)定在1 350 μmol/(m2·s)，測(cè)定時(shí)間為北京時(shí)間11:00—12:00。

1.2.3 植株15N標(biāo)記樣品采集與測(cè)定

裝袋樣品進(jìn)行氮含量及氮豐度測(cè)定，全氮用凱氏定氮法測(cè)定[13]。測(cè)定15N豐度值的儀器為ZHT-03型質(zhì)譜計(jì)(北京分析儀器廠)，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院原子能利用研究所進(jìn)行測(cè)定。

計(jì)算公式為

ω1=(m1-m2)/(m3-m2)×100%

式中ω1——15N肥分配勢(shì)(Ndff)，%m1——植物樣品中15N豐度，%m2——自然豐度，%m3——肥料中15N豐度，%

ω2=ω1m6/m7×100%

式中ω2——氮肥利用率，%m6——相關(guān)部位全氮量，gm7——總施肥量，g

1.3 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)方法

用Excel 2013和SPSS 19軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，AutoCAD 2007和SigmaPlot 13.0軟件作圖，多重比較采用 LSD 法。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)葡萄新梢長(zhǎng)度、莖粗生長(zhǎng)速率的影響

圖3 地下穴貯滴灌根際注氣對(duì)葡萄新梢長(zhǎng)度、莖粗生長(zhǎng)速率的影響Fig.3 Effects of rhizosphere aeration through SDI with tanks on growth rate of shoot length and stem diameter of grape

由圖3a可知，在處理前30 d，新梢長(zhǎng)度注氣處理與不注氣處理之間差異并不顯著。在處理后40、50 d，加氣灌溉的新梢長(zhǎng)度分別比對(duì)照高28.57%、25.52%，差異均顯著。不同處理下葡萄新稍生長(zhǎng)量實(shí)測(cè)值與Logistic方程曲線擬合，注氣處理擬合為y=8.79/(1+1.09e-9.67x)，不注氣處理擬合為y=6.94/(1+4.63e-7.86x)，表明2個(gè)處理的葡萄新梢生長(zhǎng)均符合Logistic 曲線“S”的規(guī)律。

根際注氣處理對(duì)葡萄莖粗的影響在注氣后40 d內(nèi)，處理間未見明顯差異(圖3b)，在注氣后50、60 d注氣處理的葡萄莖粗分別比不注氣處理高6.42%、8.94%，差異顯著。表明根際注氣對(duì)葡萄莖粗影響主要體現(xiàn)在生長(zhǎng)后期，即葡萄新梢停止快速生長(zhǎng)后。

2.2 對(duì)葡萄不同部位干物質(zhì)量的影響

由表1可知，地下穴貯滴灌根際注氣處理?xiàng)l件下細(xì)根、新枝、新梢的干物質(zhì)質(zhì)量均高于不注氣處理，其中細(xì)根(<2 mm)、新梢干物質(zhì)質(zhì)量注氣分別比不注氣處理高20.48%、34.78%，差異極顯著；新枝注氣處理比不注氣處理高7.80%，差異顯著。對(duì)于粗根(>2 mm)和老枝注氣和不注氣間差異不顯著，表明根際注氣處理可顯著提高“紅地球”葡萄新部位的干物質(zhì)積累，對(duì)植株老部位影響不大。

表1 地下穴貯滴灌根際注氣對(duì)“紅地球”葡萄不同部位干物質(zhì)量的影響Tab.1 Effects of rhizosphere aeration through SDI with tanks on dry matter weight of different structures of ‘Red Globe’ grapes g

注:表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差。每列數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示差異達(dá)5%顯著水平，下同。

圖4 地下穴貯滴灌根際注氣對(duì)設(shè)施葡萄幼苗葉綠素及光合特性的影響Fig.4 Effects of rhizosphere aeration through SDI with tanks on SPAD value and photosynthetic characteristics of ‘Red Globe’ grapes

2.3 對(duì)一個(gè)灌水周期內(nèi)的葉綠素及光合特性的影響

同一灌水周期內(nèi)葡萄葉片葉綠素含量呈逐漸升高的趨勢(shì)，其中在灌水后1～3 d，葉綠素含量變化幅度最大，在整個(gè)灌水周期注氣處理的葉綠素含量均高于不注氣處理(圖4a)。葉片凈光合速率同一滴灌周期呈先升高后降低的趨勢(shì)，呈單峰曲線(圖4b)。在灌水后1 d，注氣處理與不注氣處理的凈光合速率未見明顯差異；灌水后5 d，注氣處理比不注氣處理的凈光合速率高13.67%，差異顯著。在灌水后5、7 d注氣處理的葡萄葉片氣孔導(dǎo)度分別比不注氣高36.84%、60.02%，差異顯著，表明注氣處理可在同一灌水周期后期提高葉片的氣孔導(dǎo)度。由圖4d可知，在整個(gè)灌水周期內(nèi)，葡萄葉片瞬時(shí)水分利用效率在灌水后1、5、7 d注氣處理均顯著低于不注氣處理，表明加氣灌溉并未有效提高植株水分利用效率。2.4 對(duì)葡萄不同部位15N肥分配勢(shì)(Ndff)的影響

各部位15N占全株15N總量的百分率表示肥料氮在樹體內(nèi)的分布及在各部位的遷移規(guī)律，反映了植株對(duì)15N的征調(diào)能力。由表2可知，對(duì)于同一處理，15N主要分配在葉中，其次為新枝，表明葉、新枝在各部位中對(duì)15N的征調(diào)能力最強(qiáng)。對(duì)于不同處理，注氣處理的葡萄新梢、新枝和細(xì)根(<2 mm)對(duì)銨態(tài)氮的征調(diào)能力顯著低于不注氣處理，對(duì)硝態(tài)氮的征調(diào)能力卻顯著高于不注氣處理，表明注氣能夠提高新生部位對(duì)硝態(tài)氮的征調(diào)能力。

表2 地下穴貯滴灌根際注氣對(duì)葡萄不同部位15N肥分配勢(shì)(Ndff)的影響Tab.2 Effects of rhizosphere aeration by SDI with tanks on distribution rate of 15N in different parts of ‘Red Globe’ grapes %

2.5 對(duì)不同部位15N吸收量的影響

由表3可知，對(duì)于銨態(tài)氮，葡萄各部位的15N吸收量由大到小依次表現(xiàn)為葉、新枝、粗根、細(xì)根、老枝、新梢；對(duì)于硝態(tài)氮，葡萄各部位的15N吸收量由大到小依次表現(xiàn)為葉、新枝、細(xì)根、粗根、新梢、老枝。

表3 地下穴貯滴灌根際注氣對(duì)不同部位15N吸收量的影響Tab.3 Effects of rhizosphere aeration by SDI with tanks on 15N absorption in different parts of ‘Red Globe’ grapes mg

對(duì)于注氣與不注氣處理，注氣處理的葡萄新梢、細(xì)根(<2 mm)對(duì)銨態(tài)氮的吸收量顯著低于不注氣處理，其他部位間差異不顯著；對(duì)于硝態(tài)氮的吸收，注氣處理的葡萄新梢、細(xì)根(<2 mm)對(duì)硝態(tài)氮的吸收量則顯著高于不注氣處理，表明地下穴貯滴灌根際注氣能夠促進(jìn)新梢、細(xì)根對(duì)硝態(tài)氮的吸收，降低銨碳氮的吸收。

2.6 對(duì)不同部位15N 利用率的影響

圖5表明在銨態(tài)氮利用方面，注氣處理葡萄葉片、新梢、新枝、細(xì)根的氮素利用率均低于不注氣處理，其中葉片氮素利用率比不注氣低15.06%，達(dá)到顯著水平；在硝態(tài)氮利用方面，注氣處理葡萄新梢、新枝、細(xì)根的氮素利用率分別比不注氣處理高37.36%、11.44%、22.97%，達(dá)到顯著水平。對(duì)于同一處理，葡萄同部位對(duì)硝態(tài)氮的利用率均高于銨態(tài)氮，表明注氣條件下葡萄仍然表現(xiàn)出喜硝特性。

圖5 地下穴貯滴灌根際注氣對(duì)設(shè)施葡萄不同部位15N 吸收利用率的影響Fig.5 Effects of rhizosphere aeration by SDI with tanks on utilization rate of 15N in ‘Red Globe’ grape

3 討論

大量研究表明，加氣灌溉能顯著提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，尤其是在粘土和鹽漬化嚴(yán)重的土壤中[22-23]。通過地下滴灌可促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，單株葉面積增加1.48倍，籽粒灌漿莖粗、株高、單株籽粒數(shù)較高[24]。但以往研究主要是傳統(tǒng)地下滴灌[25-26]中進(jìn)行，地下穴貯滴灌在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)地下滴灌有較大區(qū)別，因此驗(yàn)證地下穴貯滴灌加氣灌溉的有效性對(duì)于地下滴灌技術(shù)在果樹上的推廣具有一定的實(shí)踐意義。本研究通過對(duì)葡萄植株新梢生長(zhǎng)、莖粗、干物質(zhì)量的分析表明，在地下穴貯滴灌條件下進(jìn)行灌后注氣，葡萄新梢生長(zhǎng)速度明顯加快，新梢、新枝等葡萄新生部位干物質(zhì)積累量增加顯著，表明地下穴貯滴灌條件下進(jìn)行灌后注氣能夠促進(jìn)植株新生部位生長(zhǎng)，與傳統(tǒng)地下滴灌條件下進(jìn)行注氣的效果一致[17]。

根系受到脅迫條件下會(huì)促進(jìn)ABA、乙烯的產(chǎn)生，進(jìn)而促進(jìn)氣孔關(guān)閉，葉片光合速率下降，光合同化物積累受阻進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，地下穴貯滴灌條件下注氣通過改變土壤通氣環(huán)境，提高了同一灌水周期內(nèi)葡萄的葉綠素含量、葉片凈光合速率。葉片氣孔導(dǎo)度與氣孔開閉有關(guān)，也顯示植株受脅迫程度，本研究中在灌水后期，葉片氣孔導(dǎo)度注氣處理顯著高于不注氣處理，表明通過加氣灌溉可有效緩解植株的脅迫，提高葉片光合速率。但對(duì)葉片瞬時(shí)水分利用效率的分析表明，加氣滴灌對(duì)提高植株葉片水平上的水分利用效率有負(fù)面影響，未表現(xiàn)出單葉水平上的節(jié)水效應(yīng)。

地下滴灌條件下進(jìn)行加氣灌溉是一種良好的水氣協(xié)調(diào)供應(yīng)方式，可有效促進(jìn)植株生長(zhǎng)[34]、果實(shí)產(chǎn)量增加和品質(zhì)提高[18,22]，是未來設(shè)施農(nóng)業(yè)研究的熱點(diǎn)方向之一。但同時(shí)通過本研究及前人研究發(fā)現(xiàn)，根區(qū)加氣灌溉抑制氨態(tài)氮的吸收、降低葉片瞬時(shí)水分利用效率、促進(jìn)CO2、N2O等溫室氣體揮發(fā)等[35]負(fù)面問題。因此需對(duì)加氣灌溉時(shí)期、頻率、強(qiáng)度等進(jìn)行更加深入的研究，以發(fā)揮這一新型模式的最大效益。

4 結(jié)論

(1)地下穴貯滴灌根際注氣可促進(jìn)葡萄新梢增長(zhǎng)，莖粗增加，顯著提高新梢、細(xì)根等植株干物質(zhì)量的積累。在同一灌水周期內(nèi)，地下穴貯滴灌根際注氣可提高葉片葉綠素含量、凈光合速率，延緩植株脅迫，但對(duì)植株葉片瞬時(shí)水分利用效率具有負(fù)面效果。

(2)通過氮同位素示蹤標(biāo)記表明，地下穴貯滴灌條件下無論是否注氣，葡萄新生部位對(duì)硝態(tài)氮的征調(diào)能力、吸收利用效率均顯著高于銨態(tài)氮，表明注氣或不注氣條件下葡萄根系均對(duì)硝態(tài)氮具有偏好性。地下穴貯滴灌根際注氣較不注氣處理可顯著促進(jìn)新生部位對(duì)硝態(tài)氮的吸收，抑制銨態(tài)氮的吸收利用，在注氣條件下宜選擇硝態(tài)氮作為氮肥來源。

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